3Dプリントされた多孔質チタン足場！整形外科の問題を解決するための新しいアイデア

出典: EngineeringForLife

チタンは、優れた生体適合性と耐荷重特性を備えているため、整形外科用インプラントや歯科用インプラントに広く使用されています。しかし、皮質骨（約 20 GPa）や海綿骨（4 GPa 未満）と比較して、生物学的活性が低く、弾性係数（100～110 GPa）が高いため、応力遮蔽や無菌性緩みなどの問題が発生します。多孔質チタンは、インプラントの剛性を軽減し、インプラントへの骨の成長を促進することでこれらの問題に対処します。弾性率は多孔性とは無関係な材料固有の現象ですが、剛性は幾何学的設計と連動してマクロレベルで変形に抵抗する能力です。高多孔性PMは、金属粉末を使用し、空隙保持粉末（砂糖、マグネシウム、塩など）を追加することで設計されます。部分焼結技術により、3Dプリントサポート構造に微細多孔ネットワークを導入し、多層の細孔を形成できます。マクロチャネル (>300 μm) は細胞の浸透、移動、血管新生を促進し、マイクロポア (~100 μm) は骨梁と骨単位の固定を強化し、インプラントの安定性を高めます。窓孔と呼ばれる孔間の接続は、骨細胞の浸透深度と最終的な固定位置において重要な役割を果たします。多孔質チタンは、無菌性の緩みや応力遮蔽などの長年の整形外科的問題を解決します。

最近、米国ノースウェスタン大学のデイビッド・C・デュナン教授のチームは、整形外科用インプラント用に生体活性超分子ポリマーと組み合わせた3Dプリント多孔質チタン足場に関する研究を実施しました。この結果は、9月12日にActa Biomaterialia誌に「整形外科用インプラントのための多孔質支柱と生体活性超分子ポリマーを備えた3Dインク押し出しチタンスキャフォールド」というタイトルで発表されました。

要点:

（１）本研究では、直接インク（DIW）技術を用いてチタンとNaCl粒子を含むインクを製造し、焼結して階層的な多孔質構造、低剛性、高延性を有するチタン足場を形成することにより、多孔質チタンの開発をさらに拡大します。スキャフォールドのマクロチャネルには、低用量の組み換え骨形成タンパク質-2 (rhBMP-2) と、ペプチド両親媒性ナノファイバーとコラーゲンからなる生体活性超分子ポリマー (SPS) が充填されていました。（２）本研究では、ラットの後外側腰椎固定モデルにおいて、BMP-2を搭載したスキャフォールドをL4とL5横突起の間に移植した。スキャフォールド内の骨の成長はμCTによって評価され、スキャフォールドの微細多孔性と添加された生体信号剤が骨形成反応に及ぼす影響が調査されました。光学顕微鏡と走査型電子顕微鏡により、約 100 μm の空間サポート微細孔サイズ、高曲率形態、およびスキャフォールド内の孔窓構造が明確に示されました。一軸圧縮試験により、微多孔性スキャフォールドは剛性が低く、延性が高いことが示されました。

（３）結果は、SPSの使用が骨形成を有意に促進し、微細孔を含むスキャフォールドでは有意差が見られなかったことを示した。この研究では、チタンスキャフォールドと組み合わせた SPS が骨形成、骨の成長、および微細多孔質チタンへの骨の固定に及ぼす影響を評価しました。無菌性の緩みやストレスシールドなどの整形外科的問題に対するソリューションを提供します。

ソース：

https://doi.org/10.1016/j.actbio.2024.09.004

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